CN105107915B - 一种大尺寸镁合金薄壁筒形件精密旋压成形工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大尺寸镁合金薄壁筒形件精密旋压成形工艺方法，包括如下步骤：(1)将原料加工至旋压所需坯料尺寸，并安装模具，调整机座，拷贝芯模；(2)设定旋压工艺参数，将旋压坯料装卡至模具上，辅助加热温度至120℃～200℃；(3)、采用细晶粒协调变形技术将大尺寸晶粒破碎；(4)采用组织热行为强化技术协调晶粒变形，获得优良组织，提高力学性能；(5)采用精密旋压工艺方法保证坯料贴胎，控制旋压件尺寸精度，完成旋压；(6)将旋压完成后的镁合金筒形件进行时效热处理；本发明有效提高了产品轴向、周向力学性能，减少了各向异性，且产品精度高，大幅度缩短了后续机加工周期，提高了材料的利用率，降低了产品生产成本。

Description

一种大尺寸镁合金薄壁筒形件精密旋压成形工艺方法

技术领域

本发明涉及一种大尺寸镁合金薄壁筒形件的精密旋压成形工艺，特别是涉及大尺寸镁合金薄壁筒形件的精密旋压成形工艺、细晶粒协调变形技术、组织热行为强化技术，属于大尺寸镁合金筒形件工程化应用的通用制造技术领域。

背景技术

为提高我国某型号导弹的射程和机动性能，舱体结构的轻质化是其发展的必然趋势，也是我国武器装备研制的重要方向。结构优化设计以及轻质材料的应用均是实现结构减重的主要手段。目前，我国舱体常用结构材料为镁合金，采用现有材料体系，仅仅通过结构优化设计，舱体结构件减重的空间已经很小，不能满足型号导弹的需求，而在不改变舱体结构设计的情况下，采用强度与镁合金相当的镁合金材料制造，可实现舱体减20-30％的目的，才能够满足该导弹的应用技术指标。

目前，大型镁合金结构件产品的制备主要采用锻件机加工方法进行生产，镁合金具有密排六方晶体结构，与面心立方和体心立方晶体相比，其滑移系数目较少，这就造成了镁合金材料塑性较差，发生形变较为困难；虽然镁合金还存在一些特殊的锥面、棱柱面和锥面等非基面滑移系，但这些滑移系临界切应力远大于基面滑移，一般情况下不易启动；当温度升高或晶粒尺寸细化至10μm以下时，才能够在塑性变形过程中发挥重要作用，但能够使镁合金晶粒组织达到10μm以下的成形工艺技术罕有文献可查，尤其是针对直径超过700mm以上的大型镁合金结构件，还未见此类细晶产品的相关报道，因此，现有技术在大型镁合金构件生产过程中，锻造成形过程困难，形变过程中易发生开裂，生产效率低，且变形后的锻件在各方向上存在较大的力学性能差异，导致实际的安全系数低于设计指标，不满足设计要求，

另外，采用常规工艺如铁模或砂型铸造制备的镁合金锭坯，其晶粒通常无明显的择优取向(织构)，但在随后的锻造、挤压、拉拔、轧制等塑性变形过程中，会由于滑移和孪生使晶粒发生转动而形成织构，由于变形方式的不同，形成的织构也存在差异；针对带加强筋的镁合金舱体结构而言，采用锻造工艺而制备的坯料，由于织构的产生，其力学性能在轴向和高向存在较大的各向异性，导致镁合金舱体产品在使用过程中存在安全隐患，因此，需减少轴向和高向力学性能差异，提高其使用稳定性。

此外，镁合金是通过热处理来改善或调整材料力学性能和加工性能，但由于其合金元素的扩散和合金相的分解过程极其缓慢，固溶处理和时效处理时间较长，且在长时间加热过程中，由于材料本身内应力释放，导致产品发生变形，尤其是针对尺寸精度要求较高的构件，会造成局部尺寸超差使产品报废；同时，产品在大批量生产时，该工艺方法的生产周期较长，往往不能满足任务进度需求，因此，在满足性能需求的基础上，应减少热处理时间，提高生产效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种大尺寸镁合金筒形件精密旋压成形工艺方法，该方法解决了镁合金筒形件产品力学各向异性、生产效率低、成品率低、成本高等问题，有效提高了产品轴向、周向力学性能，减少了各向异性，增加了产品使用过程中的安全性，同时，旋压后产品尺寸精度高，接近产品最终尺寸要求，大幅度缩短了后续机加工周期，提高了材料的利用率，降低了产品生产成本。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种大尺寸镁合金薄壁筒形件精密旋压成形工艺方法，包括如下步骤：

(一)、将旋压模具和旋轮安装在旋压机上，将镁合金坯料装卡至旋压模具中，使镁合金坯料与旋压模具内表面接触，旋轮设置在旋压模具内部，所述旋压模具为与待制备镁合金筒形件结构匹配的筒形结构；

(二)、对镁合金坯料进行三道次旋压，其中第一道次旋压中镁合金坯料的变形量为30％～40％，第二道次旋压中镁合金坯料的变形量为20％～30％，第三道次旋压中镁合金坯料的变形量为15％～20％；三道次旋压过程中设置旋压机的主轴转速为55r/min～85r/min，旋轮纵向进给速度为55r/min～95r/min，对镁合金坯料的加热温度为85℃～210℃；对镁合金坯料进行旋压过程中，加强筋位置留出，不进行旋压；

(三)、对镁合金坯料进行多道次精密旋压，每道次旋压的变形量为5％～10％；

(四)、对旋压后的产品进行时效热处理。

在上述大尺寸镁合金薄壁筒形件精密旋压成形工艺方法中，步骤(二)中三道次旋压的具体工艺条件如下：

第一道次旋压：将镁合金坯料加热至85℃～115℃，设置旋压机的主轴转速为75～85r/min，旋轮纵向进给速度为85～95r/min；

第二道次旋压：将镁合金坯料继续加热至120℃～140℃，设置旋压机的主轴转速为75～85r/min，旋轮纵向进给速度为85～95r/min；

第三道次旋压：将镁合金坯料继续加热至190℃～210℃，保温10～15min，设置旋压机的主轴转速为55～65r/min，旋轮纵向进给速度为55～60r/min。

在上述大尺寸镁合金薄壁筒形件精密旋压成形工艺方法中，步骤(三)中精密旋压的工艺条件为：将镁合金坯料温度降至50～60℃，提高旋压机的主轴转速至80～90r/min，旋轮纵向进给速度为95～105mm/min。

在上述大尺寸镁合金薄壁筒形件精密旋压成形工艺方法中，步骤(三)中精密旋压的次数为2～3次。

在上述大尺寸镁合金薄壁筒形件精密旋压成形工艺方法中，步骤(四)中时效处理的工艺条件为：时效温度为190℃～210℃，保温时间为110min～130min，之后进行空冷。

在上述大尺寸镁合金薄壁筒形件精密旋压成形工艺方法中，步骤(三)精密旋压完成后，待镁合金坯料冷却至室温，进行最后一道次精整，保证壁厚、圆度及轴向形位公差。

在上述大尺寸镁合金薄壁筒形件精密旋压成形工艺方法中，采用环轧后机加工料做为坯料；采用氧气乙炔枪对镁合金坯料进行加热。

在上述大尺寸镁合金薄壁筒形件精密旋压成形工艺方法中，旋轮的半径R为10～12mm。

在上述大尺寸镁合金薄壁筒形件精密旋压成形工艺方法中，将镁合金坯料装卡至旋压模具之前，在镁合金坯料外表面与旋压模具内表面分别涂抹润滑油，所述润滑油具体为N46#液压油。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)、本发明使用环轧后机加工料做为内旋压毛坯，采用精密旋压成形工艺、细晶粒协调变形工艺和组织热行为强化工艺相结合的工艺方法，解决了镁合金筒形件产品力学各向异性、生产效率低、成品率低、成本高等问题，有效提高了产品轴向、周向力学性能，减少了产品力学性能的各向异性，增加了产品使用过程中的安全性，同时，旋压后产品尺寸精度高，接近产品最终尺寸要求，大幅度缩短了后续机加工周期，提高了材料的利用率，降低了产品生产成本；

(2)、本发明采用精密旋压成形工艺，通过选择适合的工艺参数，如变形量、主轴转速、旋压道次、进给比等参数，制备出的结构件接近产品最终尺寸，解决了产品成形后尺寸精度难以控制等问题，以及后续机加工周期长、效率低等问题，有效提高了材料利用率；

(3)、本发明采用细晶粒协调变形工艺，将原始坯料的大晶粒细化至10μm以下，不但可以大幅度增加材料中基础滑移系数量，同时，特殊的锥面、棱柱面和锥面等非基面滑移系参与协调变形，此外，随着晶粒细化，晶界数量增加，改善了材料在同温度下的塑性，在这些因素的协调变形过程中，有效提高了材料力学性能，尤其是轴向性能大幅度提高，弱化各项异性；

(4)、本发明采用组织热行为强化工艺，通过对温度的控制，选择合适的温度条件，能够使镁合金发生动态析出，析出相可以起到强化材料的作用，用来改善或调整材料的组织形态，从而进一步提高材料力学性能，且经工序后，可大幅度缩短产品原有后续时效热处理时间，能够有效解决镁合金材料时效热处理后力学性能偏低，固溶和时效热处理周期长，以及长时间热处理导致的镁合金产品发生变形等一系列问题。

(5)、本发明与传统锻造机加工工艺相比，采用该技术能够有效提高材料利用率，可节约材料30％～60％，使生产成本降低40％～70％，且结构件在旋压过程中经过组织热行为强化，力学性能达到指标需求，可大幅度减少产品后续时效热处理工序时间，以及减少产品在热处理过程中的尺寸变形，提高了生产效率。

附图说明

图1为本发明镁合金筒形件精密旋压工艺示意图；

图2为本发明镁合金筒形件精密旋压工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为本发明镁合金薄壁筒形件精密旋压工艺示意图，本发明大尺寸镁合金薄壁筒形件精密旋压成形工艺方法，具体包括如下步骤：

(一)、将旋压模具2和旋轮3安装在旋压机上，将镁合金坯料4装卡至旋压模具2中，使镁合金坯料4与旋压模具2内表面接触，旋轮3设置在旋压模具2内部，旋压模具2为与待制备镁合金筒形件结构匹配的筒形结构；采用环轧后机加工料做为镁合金坯料4。旋轮3的半径R为10～12mm。其中镁合金坯料4装卡至旋压模具2之前，在镁合金坯料4外表面与旋压模具2内表面分别涂抹润滑油，润滑油具体为N46#液压油。

(二)、对镁合金坯料4进行三道次旋压，三道次旋压过程中设置旋压机的主轴转速为55r/min～85r/min，旋轮3纵向进给速度为55r/min～95mm/min，对镁合金坯料4的加热温度为85℃～210℃；对镁合金坯料4进行旋压过程中，加强筋1位置留出，不进行旋压。采用氧气乙炔枪对镁合金坯料4进行加热。三道次旋压的具体工艺条件为：

第一道次旋压：将镁合金坯料4加热至85℃～115℃，设置旋压机的主轴转速为75～85r/min，旋轮3纵向进给速度为85～95r/min；第一道次旋压中镁合金坯料4的变形量为30％～40％；

第二道次旋压：将镁合金坯料4继续加热至120℃～140℃，设置旋压机的主轴转速为75～85r/min，旋轮3纵向进给速度为85～95r/min，第二道次旋压中镁合金坯料4的变形量为20％～30％；

第三道次旋压：将镁合金坯料4继续加热至190℃～210℃，保温10～15min，设置旋压机的主轴转速为55～65r/min，旋轮3纵向进给速度为55～60r/min；第三道次旋压中镁合金坯料4的变形量为15％～20％。

(三)、对镁合金坯料4进行多道次精密旋压，具体工艺条件为：将镁合金坯料4温度降至50～60℃，提高旋压机的主轴转速至80～90r/min，旋轮3纵向进给速度为95～105mm/min。每道次旋压的变形量为5％～10％；精密旋压的次数为2～3次。精密旋压完成后，待镁合金坯料4冷却至室温，进行最后一道次精整，保证壁厚、圆度及轴向形位公差。

(四)、对旋压后的产品进行时效热处理，时效温度为190℃～210℃，保温时间为110min～130min，之后进行空冷。

实施例1

以产品尺寸内径Φ721.5mm，高度450mm，壁厚5mm，筋高30mm，筋宽10mm的镁合金舱体为例，按照图2的镁合金筒形件精密旋压工艺流程进行生产加工。

(1)旋压准备

对环轧后的坯料进行超声波探伤，应符合GJB5154-2002B级要求，保证坯料内部不存在裂纹等较大缺陷，防止旋压过程中，在旋轮压力作用下发生开裂；将合格的环轧坯料机加工至旋压用坯料尺寸：加强筋部位内径Φ659.5±0.5mm，旋压部位内径Φ689.5±0.5mm，外径Φ729.5±0.5mm，长度230mm，装卡部位根据旋压模具2定位螺栓进行配加工；安装旋压模具2，保证芯模径向跳动小于0.05mm；调整旋轮基座，安装旋轮3，旋轮R＝10mm，旋轮攻角0°，安装完成后拷贝芯模(拷贝芯模是设定旋压程序的必要步骤，主要是将芯模的轮廓及其零点定义在旋压程序模型中，根据这个基准去设定旋压工艺参数)。

(2)旋压参数设定

根据普旋、强旋不同阶段调整每道次间隙，设置旋压机的主轴转速55r/min～85r/min，旋轮纵向进给55r/min～95mm/min；采用2把氧气乙炔枪进行辅助加热，温度在85℃～210℃；绘制旋轮3行程曲线，保证曲线之间的衔接处光滑过度，防止在旋压过程中出现局部应力过大而造成的开裂现象；设定旋压程序工序步，并进行空载运行，检验程序运行是否符合要求；检验完成后，坯料4外表面与模具2内表面分别涂抹润滑油(N46#液压油)，将旋压坯料装卡至模具中，保证在旋压过程中坯料不发生偏移、错动等现象，准备进行旋压。

(3)细晶粒协调变形技术

用氧气乙炔枪将镁合金坯料4加热至100℃，转速80r/min，进给速度90r/min，采用大变形量旋压，第一道次变形量为30％～40％，使大晶粒发生破碎；将温度提升至130℃进行第二道次旋压，变形量均为20％～30％。

(4)组织热行为强化技术

将镁合金坯料4由130℃提升至200℃，保温10min，使镁合金坯料4受热均匀，降低主轴转速至60r/min，进给速度降至60r/min，进行第三道次旋压变形，道次变形量为15％～20％，使晶粒在高温下均匀协调变形，并促使镁合金材料在热变形过程中发生动态析出，获得性能优良的组织，进一步强化产品力学性能。

(5)精密旋压工艺

将镁合金坯料4温度降至60℃，提高主轴转速至80r/min，进给速度为100mm/min，采用两道次旋压，每道次变形量为5％～10％，保证镁合金坯料4贴胎；完成后，待镁合金坯料4冷却至室温，进行最后一道次精整，保证壁厚、圆度及轴向形位公差。

(6)时效热处理

对旋压后的产品进行时效热处理，时效温度为200℃，保温120min，空冷。

(7)检验

检测产品表面质量，测量壁厚、直径等数据。

本实施例采用坯料精密旋压技术与细晶粒协调变形技术相结合的方法，制备出的带内加强筋镁合金筒形件，与原材料性能相比(见表1)，有效提高了产品轴向、周向力学性能(见表2)，减少了各向异性，增加了产品使用过程中的安全性，同时，旋压后产品尺寸精度高(见表3)，接近产品最终尺寸要求，大幅度缩短了后续机加工周期，提高了材料的利用率，降低了产品生产成本；结合组织热行为强化技术，将组织热行为与组织强化相结合，使镁合金发生动态析出，进一步提高其力学性能，同时采用该技术后，其后续时效热处理周期由30h缩短至2h，提高了生产效率。

表1镁合金原材料力学性能

表2镁合金筒形件力学性能

表3镁合金筒形件旋压后尺寸

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种大尺寸镁合金薄壁筒形件精密旋压成形工艺方法，其特征在于：包括如下步骤：

(一)、将旋压模具(2)和旋轮(3)安装在旋压机上，将镁合金坯料(4)装卡至旋压模具(2)中，使镁合金坯料(4)与旋压模具(2)内表面接触，旋轮(3)设置在旋压模具(2)内部，所述旋压模具(2)为与待制备镁合金筒形件结构匹配的筒形结构；

(二)、对镁合金坯料(4)进行三道次旋压，其中第一道次旋压中镁合金坯料(4)的变形量为30％～40％，第二道次旋压中镁合金坯料(4)的变形量为20％～30％，第三道次旋压中镁合金坯料(4)的变形量为15％～20％；三道次旋压过程中设置旋压机的主轴转速为55r/min～85r/min，旋轮(3)纵向进给速度为55r/min～95r/min，对镁合金坯料(4)的加热温度为85℃～210℃；对镁合金坯料(4)进行旋压过程中，加强筋(1)位置留出，不进行旋压；

(三)、对镁合金坯料(4)进行多道次精密旋压，每道次旋压的变形量为5％～10％；

(四)、对旋压后的产品进行时效热处理；

所述步骤(二)中三道次旋压的具体工艺条件如下：

第一道次旋压：将镁合金坯料(4)加热至85℃～115℃，设置旋压机的主轴转速为75～85r/min，旋轮(3)纵向进给速度为85～95r/min；

第二道次旋压：将镁合金坯料(4)继续加热至120℃～140℃，设置旋压机的主轴转速为75～85r/min，旋轮(3)纵向进给速度为85～95r/min；

第三道次旋压：将镁合金坯料(4)继续加热至190℃～210℃，保温10～15min，设置旋压机的主轴转速为55～65r/min，旋轮(3)纵向进给速度为55～60r/min。

2.根据权利要求1所述的一种大尺寸镁合金薄壁筒形件精密旋压成形工艺方法，其特征在于：所述步骤(三)中精密旋压的工艺条件为：将镁合金坯料(4)温度降至50～60℃，提高旋压机的主轴转速至80～90r/min，旋轮(3)纵向进给速度为95～105mm/min。

3.根据权利要求1或2所述的一种大尺寸镁合金薄壁筒形件精密旋压成形工艺方法，其特征在于：所述步骤(三)中精密旋压的次数为2～3次。

4.根据权利要求1所述的一种大尺寸镁合金薄壁筒形件精密旋压成形工艺方法，其特征在于：所述步骤(四)中时效处理的工艺条件为：时效温度为190℃～210℃，保温时间为110min～130min，之后进行空冷。

5.根据权利要求1所述的一种大尺寸镁合金薄壁筒形件精密旋压成形工艺方法，其特征在于：所述步骤(三)精密旋压完成后，待镁合金坯料(4)冷却至室温，进行最后一道次精整，保证壁厚、圆度及轴向形位公差。

6.根据权利要求1所述的一种大尺寸镁合金薄壁筒形件精密旋压成形工艺方法，其特征在于：采用环轧后机加工料做为坯料(4)；采用氧气乙炔枪对镁合金坯料(4)进行加热。

7.根据权利要求1所述的一种大尺寸镁合金薄壁筒形件精密旋压成形工艺方法，其特征在于：所述旋轮(3)的半径R为10～12mm。

8.根据权利要求1所述的一种大尺寸镁合金薄壁筒形件精密旋压成形工艺方法，其特征在于：将镁合金坯料(4)装卡至旋压模具(2)之前，在镁合金坯料(4)外表面与旋压模具(2)内表面分别涂抹润滑油，所述润滑油具体为N46#液压油。